Чи можна використати ефект негативної ємності в польових транзисторах із сегнетоелектричним затвором?

Abstract

Ми аналізуємо електричний потенціал і поле, поляризацію та заряд, а також диференціальну ємність польового транзистора з металевим оксидом кремнію (MOSFET), в якому ізолятор затвора складається з тонких шарів діелектрика SiO2 і слабкого сегнетоелектрика HfO2. Виявилося можливим досягти квазістаціонарної негативної ємності (NC) шару HfO2, CHfO2<0, якщо товщина шару близька до критичної товщини фазового переходу сегнетоелектрик-параелектрик, викликаного розміром. Однак цей ефект зникає, коли напруга на затворі підвищується вище певного критичного значення, що можна пояснити нелінійністю сегнетоелектричної проникності. Квазістаціонарній NC відповідає позитивна ємність всієї системи. Реалізація ізолятора затвора з NC, Cins, може відкрити принципову можливість зменшити підпорогове коливання MOSFET нижче критичного значення та зменшити напругу затвора нижче фундаментальної межі Больцмана. Однак нам не вдалося знайти параметри, для яких Cins є негативним у квазістаціонарних станах; і, таким чином, негативний CHfO2 не може зменшити підпорогове коливання нижче фундаментальної межі. Тим не менш, збільшення Cins, пов’язане з CHfO2<0, може зменшити коливання вище межі, зменшити нагрівання пристрою під час робочих циклів і, таким чином, сприяти подальшому покращенню продуктивності MOSFET.